فهرست مطالب

هوش محاسباتی در مهندسی برق - سال دوازدهم شماره 2 (تابستان 1400)

فصلنامه هوش محاسباتی در مهندسی برق
سال دوازدهم شماره 2 (تابستان 1400)

  • تاریخ انتشار: 1400/04/01
  • تعداد عناوین: 8
|
  • علیرضا رضایی*، بهنام مرادی صفحات 1-14
    این پژوهش به بهینه سازی مصرف انرژی الکتریکی با نظارت بر توان مصرفی ناشی از فعالیت های ساکنان در بازه های زمانی مختلف در طول شبانه روز و ذخیره توان الکتریکی مصرفی آنها در یک پایگاه داده ای برای ایجاد مدل های پیش بینی شده براساس روش های یادگیری ماشین به مدل سازی مصرف انرژی ساختمان های هوشمند می پردازد. سپس با ارایه یک الگوریتم برای یادگیری ماشین مبتنی بر سیستم مدیریت بهره وری انرژی برای عملکرد اتوماتیک تجهیزات خانگی براساس رفتار پیشین ساکنان به شکل گیری ساختمان هوشمند اتوماتیک بدون دخالت ساکنان منجر می شود. مدیریت و نظارت بر فرایند عرضه و تقاضا انرژی و ادغام پنل های خورشیدی خانگی در ساختمان برای تامین بخشی از انرژی مصرفی، مزیت اصلی اجرای فناوری شبکه های هوشمند در ساختمان مطالعه شده بود. این تحقیق نشان داد روزانه 9 kwh انرژی الکتریکی از پنل های خورشیدی خانگی تولید می شود. درنهایت، با مقایسه هر بخش ساختمان با یک ساختمان عادی مشابه در سناریوی حضور که ساکنان بالاترین مصرف انرژی را دارند، نتایج بهینه سازی نمایش داده شد؛ به طوری که در سیستم روشنایی 25%، سیستم پریز 15% و سیستم سرمایش و گرمایش حدود 40% انرژی مصرفی بدون کاهش سطح آسایش ساکنان صرفه جویی شد.
    کلیدواژگان: الگوریتم رفتاری ساکنان ساختمان، خانه هوشمند اتوماتیک، شبکه های هوشمند، منابع انرژی تجدیدپذیر
  • ابوالفضل ابراهیمی بالاسی، علیرضا صفا* صفحات 15-28
    تامین توان موردنیاز مصرف کننده های الکتریکی با دامنه ولتاژ معین، وظیفه اصلی سیستم قدرت است. یکی از موثرترین رهیافت های موجود برای کنترل ولتاژ در سیستم های قدرت، کنترل ولتاژ سیم پیچ تحریک ژنراتورها است. این امر با استفاده از سیستمی به نام تنظیم کننده خودکار ولتاژ میسر می شود. برای عملکرد مطلوب این سیستم در تمام گستره بارها، لزوم استفاده از کنترل کننده مقاوم احساس می شود. رویکرد کنترلی اتخاذشده در این مقاله، بهره گیری از کنترل کننده تناسبی - انتگرالی - مشتقی است. باوجود سادگی ساختاری این کنترل کننده، نحوه تنظیم پارامترهای آن برای به دست آوردن سیستم حلقه بسته مقاوم امر آسانی نیست. در حالت کلی، رابطه مستقیمی بین شاخص های کارایی و ضرایب کنترل کننده وجود ندارد. برای حل این چالش در مقاله حاضر، فرایند طراحی کنترل کننده به یک مسئله بهینه سازی تبدیل می شود و تابع هزینه جدیدی پیشنهاد می شود. تابع هزینه پیشنهادی، دربرگیرنده معیارهای شاخص های کارایی حوزه زمان و فرکانس است تا بیشینه کردن حدود بهره و فاز قوام سیستم در برابر نامعینی ها تضمین شود و با کاهش فراجهش و زمان صعود و نشست از معیارهای کارایی مطلوبی در حوزه زمان برخوردار باشد. برای حل این مسئله بهینه سازی چندهدفه از الگوریتم مورچگان پیوسته استفاده شده است. با استفاده از روش مونت کارلو کارایی کنترل کننده پیشنهادی در شرایط مختلف ارزیابی شده است.
    کلیدواژگان: الگوریتم کلونی مورچگان پیوسته، بهینه سازی چندهدفه، تنظیم کننده خودکار ولتاژ، کنترل بهینه مقاوم، کنترل کننده تناسبی - انتگرالی - مشتقی
  • پویا تدین رودی، مریم رمضانی*، حمید فلقی صفحات 29-40

    نگرانی های زیست محیطی استفاده از خودروهای سوخت فسیلی و پیشرفت های اخیر در زمینه تکنولوژی خودروهای الکتریکی [i] توجه جامعه جهانی را به سمت استفاده از خودروهای الکتریکی جلب کرده است. در این مقاله، یک استراتژی طراحی به منظور تامین بیشینه شاخص آسایش سفر رانندگان در سفرهای شهری با رعایت شرط در نظر گرفتن سایر پارامترها، نظیر توزیع مناسب ایستگاه های شارژ [ii] در سطح شهر و کمترین مسافت پیمایش خودروها ارایه شده است. فاکتور آسایش سفر در این مقاله بدین صورت پیشنهاد می شود که راننده با صرف کمترین مسافت، در مسیر حرکت خود، ایستگاه شارژ دردسترس داشته باشد و سفر موفقی را به انجام برساند. با توجه به اینکه حرکت خودروهای الکتریکی در طول روز از هیچ الگوی خاصی تبعیت نمی کند، در این مقاله، برای بررسی عدم قطعیت پارامترهای خودروهای الکتریکی از تبدیل بی بو [iii] و دسته بندی مکان اولیه خودروهای الکتریکی موجود در منطقه شهری، استفاده و درنهایت به منظور طراحی بهینه از الگوریتم ژنتیک بهره گرفته شده است. تابع هدف شامل دو بخش است؛ بخش اول، میزان موفقیت سفر خودروهای الکتریکی تا رسیدن به مقصد و بخش دیگر، تعداد ایستگاه های شارژ مکان یابی شده اند. نتایج شبیه سازی روی شبکه حمل ونقل، کیفیت روش پیشنهادی را تایید می کند.

    کلیدواژگان: خودروهای الکتریکی، ایستگاه های شارژ، موفقیت سفر خودروها، تبدیل بی بو، دسته بندی kmeans، حجم ترافیک شهری
  • امین آذری*، محسن نیک نژاد، محمود عباسی صفحات 41-52
    در راستای تحقق یک جامعه هوشمند، برقراری ارتباط برای تمام اشیای هوشمند با هزینه و انرژی مصرفی کم یک نیاز اساسی است. شبکه های بی سیم کنونی برای برقراری بهینه ارتباطات، به مدیریت متمرکز شبکه و منابع نیاز دارند و عواملی مانند انرژی مصرفی در ارسال - دریافت سیگنال های کنترلی و تعداد زیاد دستگاه های اینترنت اشیاء، امکان استفاده از چنین رویکردهای متمرکزی را در آینده غیرممکن خواهند کرد. برای حل این مشکل، در این مقاله امکان استفاده از راه حل های مبتنی بر یادگیری ماشینی برای شبکه های اینترنت اشیاء بررسی شده است. در گام نخست برای دستیابی به این هدف، روش های یادگیری با پیچیدگی کم بررسی شده اند که مناسب پیاده سازی در اشیاءاند. در ادامه، یک روش یادگیری برای تطبیق پارامترهای مخابراتی در اشیاء با محیط پیرامون آنها ارایه شده است. در این روش پیشنهادی، تابع ارزش هر تصمیم براساس سابقه انرژی مصرفی و میزان موفقیت در اتخاذ آن تصمیم طراحی می شود. این طراحی، دستگاه را قادر می کند بهترین مصالحه را بین انرژی مصرفی و قابلیت اطمینان ارتباطات به دست آورد. در گام بعدی، مقایسه عملکرد روش پیشنهادی مقاله با رویکرد سیستم های متمرکز، با بهره گیری از ابزار هندسه تصادفی ارایه شده است. سپس، ارتباط بین پارامتر های الگوریتم یادگیری ماشینی و عملکرد سیستم مخابراتی، مانند انرژی مصرفی و قابلیت اطمینان، تجزیه وتحلیل شده است. نتایج شبیه سازی نشان می دهند در مقایسه با جدیدترین روش های پیشنهادشده در ادبیات این موضوع، هردو معیار بهره وری انرژی و سطح اطمینان با استفاده از روش یادگیری مندرج در این مقاله به صورت چشمگیری بهبود می یابند.
    کلیدواژگان: اینترنت اشیاء، عمر باتری، یادگیری، نسل پنجم، یادگیری ماشینی، ماشین شانس چند اهرمه
  • وحید باقری، امیر فرهاد احیائی* صفحات 53-64

    در این مقاله، یککنترل کننده مقاوم برای سیستمی چند عاملی متشکل از یک عامل پیشرو و عامل پیرو طراحی شده است. دینامیک عامل های پیرو، دینامیک خطی همراه با تاخیر و ماتریس ضرایب متغیر حالت آن همراه با نامعینی در نظر گرفته می شود. دینامیک عامل پیشرو همانند عامل پیرو است؛ اما بدون نامعینی فرض می شود. هدف اجماع در طراحی این کنترل کنندهاین است که متغیرهای حالت عامل های پیرو در حضور تاخیر و نامعینی از متغیرهای حالت عامل پیشرو تبعیت کنند. شرط لازم برای اجماع، وجود حداقل یک درخت پوشا در گراف متناظر با سیستم چندعاملی است. در صورت برقراری این شرط، ابتدا یک کنترل کنندهخطی ساز فیدبک برای عامل پیشرو طراحی می شود؛ به طوری که در مکان مطلوب قرار بگیرد. سپس با تعریف دینامیک خطای اجماع بین عامل های پیرو و پیشرو و با فرض مشخص بودن مقدار دقیق تاخیر در دینامیک عامل ها، برای حذف اثر نامعینی ها یک کنترل کننده مقاوم  برای عامل های پیرو پیشنهاد می شود. دقت بالا، همگرایی سریع و مقاومت خوب در برابر نامعینی های مدل به لطف کنترل کننده جدید پیشنهادی حاصل می شود. درنهایت،همگرایی مجانبی دینامیک خطای اجماع به صفر اثبات می شود و شرایط LMIبرای تضمین پایداری سیستم حلقه بسته ارایه می شود. نتایج شبیه سازی، پایداری و کارایی کنترل کننده ارایه شده را نشان می دهند.

    کلیدواژگان: سیستم چندعاملی، کنترل کننده اجماع، تاخیر زمانی، نامعینی مدل، کنترل کننده مقاوم، نامعادله ماتریسی خطی
  • زهرا مروج*، روح الامین انصاری، علیرضا جدائی صفحات 65-76
    در حین نوسان توان ممکن است امپدانس اندازه گیری شده وارد زون حفاظتی رله شود و عملکرد اشتباه رله را به دنبال داشته باشد. در صورتی که رله در حین نوسان توان عمل کند، ممکن است باعث ناپایدارشدن شبکه شود. تشخیص خطا در حین نوسان توان در خطوط جبران سازی شده با خازن سری، پیچیدگی بیشتری نسبت به خطوط ساده دارد. در خطوط جبران سازی شده اندازه جریان خطا، خازن سری و تجهیزات حفاظتی آن، نوع خطا، محل خطا، نوع حفاظت خازن و سطح جبران سازی خازن سری عوامل تاثیرگذار بر امپدانس حلقه خطا هستند. در این مقاله روشی جدید برای تشخیص خطا در حین نوسان توان با استفاده از اندازه فازور توالی منفی جریان خط و کاربرد سری تیلور ارایه شده است. روش ارایه شده روی یک شبکه استاندارد IEEE، شبیه سازی و عملکرد آن ارزیابی شده است. روش ارایه شده، عملکرد مناسبی با سرعت بالا برای انواع خطاهای متقارن و نامتقارن شبکه دارد. برای شبیه سازی روش ارایه شده از برنامه PSCAD و MATLAB استفاده شده است که مقایسه نتایج با روش های دیگر، کارایی روش ارایه شده در این مقاله را نشان می دهد.
    کلیدواژگان: خطا در حین نوسان توان، خط جبران سازی شده، توالی منفی، سری تیلور، نوسان توان
  • هادی شهرکی*، اکبر زارع چاوشی صفحات 77-90
    یکی از مهم ترین اجزای سامانه های جستجوگر و ردیاب مادون قرمز، بخش پردازش تصویر است که وظیفه آن آشکارسازی اهداف مدنظر در تصاویر مادون قرمز است. در این مقاله یک روش جدید آشکارسازی اهداف کوچک در تصاویر مادون قرمز ارایه شده است. در روش پیشنهادی، از الگوریتم های بهینه سازی ابتکاری برای یافتن اهداف کوچک در تصاویر مادون قرمز استفاده می شود. ویژگی منحصربه فرد این روش، یافتن اهداف کوچک با استفاده از الگوریتم های بهینه سازی و بدون دخالت سایر روش های آشکارسازی اهداف است. به این منظور، الگوریتم بهینه سازی ازدحام ذرات به عنوان یکی از بهترین الگوریتم های بهینه سازی ابتکاری استفاده شده است.عملکرد الگوریتم پیشنهادی با استفاده از تصاویر مادون قرمز واقعی و شبیه سازی شده ارزیابی شده است. این تصاویر شامل انواع منابع خطا همچون پس زمینه ابری پیچیده، پس زمینه آسمان دریا و لبه های با شدت روشنایی زیاد است. نتایج به دست آمده از عملکرد روش پیشنهادی در یافتن اهداف کوچک و مدت زمان اجرای آن با چهار روش متداول مقایسه شده اند که نشان دهنده کارایی مناسب روش پیشنهادی است.
    کلیدواژگان: آشکارسازی اهداف کوچک، الگوریتم های بهینه سازی، الگوریتم بهینه سازی ازدحام ذرات، سامانه جستجوگر و ردیاب مادون قرمز، هوش مصنوعی
  • ریحانه بهرامی پور اصفهانی، مهدی نصری*، سید محمد طباطبائی صفحات 91-112

    بهینه سازی، فرآیندی است که از دیرباز شایان توجه پژوهشگران علوم مختلف بوده و از روش های آن برای افزایش بهره وری و کاهش هزینه ها استفاده شده است. در این زمینه، رسیدن هم زمان به چند هدف متناقض بسیار اهمیت دارد. در مهندسی کنترل، بهینه سازی پارامترهای کنترل کننده، در حالتی که رسیدن به چندین هدف کنترلی مختلف مدنظر باشد، چالش بزرگ محسوب می شود. در این مقاله، کنترل کننده PID  مرتبه کسری برای یک هلیکوپتر آموزشی با دو موتورDC  با نام TRMS طراحی شده است. طراحی این کنترل کننده بر مبنای الگوریتم های بهینه سازی چندهدفه ابتکاری و در نظر گرفتن مجموعه های مختلف توابع هدف است. درنهایت، عملکرد این الگوریتم ها برای بهینه کردن پارامترهای کنترل کننده ها بر سیستم TRMS دکوپله شده، براساس جبهه پرتو و معیارهای ارزیابی عملکرد مختلف ازجمله فاصله و غیر یکنواختی جبهه پرتو با یکدیگر مقایسه شده است. نتایج ارزیابی نشان از عملکرد مطلوب کنترل کننده PID مرتبه کسری به صورت چندهدفه برای سیستم TRMS دارد.

    کلیدواژگان: بهینه سازی ابتکاری، بهینه سازی چندهدفه، سیستم TRMS، کنترل کننده PID مرتبه کسری
|
  • Alireza Rezaee *, Behnam Moradi Pages 1-14
    This study optimizes the consumption of electrical energy by monitoring the power consumption caused by the activities of residents at different time intervals during the day and night and stores their electricity consumption in a database to create predicted models based on machine learning methods. Modeling the energy consumption of smart buildings, and then by presenting an algorithm for machine learning based on energy efficiency management system for automatic operation of home appliances based on the previous behavior of residents, leads to the formation of automatic smart building without resident intervention. Managing and monitoring of energy supply and demand process and integration of home solar panels in the building to supply part of the energy consumption was the main advantage of implementing smart grid technology in the building under study. This study showed that 9 kWh of electricity is generated daily from home solar panels. Finally, by comparing each part of the building with a similar normal building in the presence scenario where residents have the highest energy consumption, optimization results were displayed. So that in the lighting system to 25%, the outlet system to 15%, and the cooling and heating system about 40% of energy consumption was saved without reducing the comfort level of residents.
    Keywords: Behavioral algorithm of Resident, home, Automatic smart Home, Smart grids, Renewable Energy Sources
  • Abolfazl Ebrahimi Balasi, Alireza Safa * Pages 15-28
    Providing constancy of the nominal voltage level is a major concern in the planning of electric power systems. One of the effective methods to achieve a nominal voltage level is controlling the exciter voltage of the generator. This is done by using AVR. To ensure a better performance of the AVR system under whole operating conditions, the employing of a robust control strategy is essential. In this paper, the PID controller is adopted as a control strategy. Despite its simple structure, the setting of the PID controller parameters is difficult to obtain the robust closed-loop system. In general, there is no straightforward relation between the performance indexes and the controller parameters. To overcome this problem, the control design problem is transformed into an optimization one, and a new performance criterion function is introduced. This new function includes both time-domain and frequency-domain specifications. The Gain and phase margined are maximized in this function to ensure the robustness of the system despite uncertainties; meanwhile, the rise time and overshoot of the step response are minimized to achieve the best performance in the time domain. Ant colony optimization for the continuous domain is used for solving this multi-objective optimization problem. Detailed comparative simulations are carried out via the Monte-Carlo method to illustrate the effectiveness of the proposed control strategy.
    Keywords: Ant colony optimization for continuous domain, automatic voltage regulator, Multi-Objective Optimization, optimal robust controller, proportional-integral-derivative (PID) controller
  • Pooya Tadayon Roody, Maryam Ramezani *, Hamid Falaghi Pages 29-40

    Environmental concerns and recent developments in electric vehicle (EV) technology have attracted the attention of the international community to use EVs. In this paper, by considering an urban transportation network, a design strategy is presented to maximize drivers' travel comfort in urban trips. Further, the presented strategy meets various constraints, such as properly locating charging stations in the city, considering traffic volume, taking the shortest route per trip, reducing charging waiting time, etc. The travel comfort index in this paper corresponds to a situation in which the driver does not experience a depleted battery during a trip and successfully finish the trip. Therefore, charging stations should be located throughout the city so that the drivers can access them. Since the movement of vehicles over the course of a day does not follow any particular pattern, in this paper, we use unscented transformation (UT) to investigate the uncertainty in different probabilistic parameters of EVs. Moreover, by clustering the locations of EVs within the urban area, the optimal locations of EV charging stations are determined over the course of the day using an objective function based on a genetic algorithm. The simulation results of the urban transportation confirm the efficacy of the proposed method.

    Keywords: Electric Vehicles, Charging stations, vehicle trip success, unscented transformation, K-means Clustering, urban traffic volume
  • Amin Azari *, Mohsen Niknejad, Mahmoud Abbasi Pages 41-52
    Towards realizing an intelligent networked society, enabling low-cost low-energy connectivity for things, also known as the Internet of Things (IoT), is of crucial importance. While the existing wireless access networks require centralized signaling for managing network resources, this approach is of less interest for future generations of wireless networks due to the energy consumption in such signaling and the expected increase in the number of IoT devices. Then, in this work, we investigate leveraging machine learning for distributed control of IoT communications. Towards this end, first, we investigate low-complex learning schemes that are applicable to resource-constrained IoT communications. Then, we propose a lightweight learning scheme which enables the IoT devices to adapt their communication parameters to the environment. Further, we investigate analytical expressions presenting the performance of a centralized control scheme for adapting communication parameters of IoT devices and compare the results with the results from the proposed distributed learning approach. The simulation results confirm that the reliability and energy efficiency of IoT communications could be significantly improved by leveraging the proposed learning approach.
    Keywords: IoT, 5G, battery lifetime, reliability, Machine Learning, Multi-arm bandit
  • Vahid Bagheri, Amir Farhad Ehyaei * Pages 53-64

    In this paper, a robust controller is designed for a multi-agent system comprising a leader agent and  followers. Follower agents are supposed to have linear dynamics with time-delay considering uncertainties in state- space coefficient matrices. The dynamics of the leader agent are similar to the followers; however, without any uncertainty. The purpose of the consensus controller is to make the follower agent state variables to track the leader in presence of time-delay and uncertainties. The necessary condition for consensus is the existence of at least a spanning tree in the graph corresponding to a multi-agent system. If the condition is met, a feedback linearization controller is firstly designed for the leader to reach the desired position; then a  robust controller is proposed for each follower to eliminate the effect of model uncertainties by defining the consensus error dynamic between the followers and leader and assuming a specific amount of delay for all agents. High precision, fast convergence, and good robustness against uncertainties are ensuredthanks to the newly proposed control scheme. Finally, asymptotic convergence of the consensus error to zero is guaranteed and LMI conditions for the stability of the closed-loop system is presented. Simulation results show the stability and effectiveness of the proposed controller.

    Keywords: Multi-Agent System, Consensus Controller, Time-Delay, Model Uncertainty, Robust Controller, Linear Matrix Inequality
  • Zahra Moravej *, Rohalamin Ansari, Alireza Jodaei Pages 65-76
    During a power swing, the measured impedance may enter the relay protection zone and cause the relay to operate incorrectly. If the relay operates during power swing, it may cause the network to become unstable. Fault detection during a power swing in compensated lines via a series capacitor is more complicated than simple lines. In compensated lines, the amount of the fault current, the series capacitor and its protection equipment, the type of fault, the fault location, the type of capacitor protection, and the compensation level of the series capacitor are the factors affecting the impedance of the fault loop. In this paper, a new method for detecting fault during power swing is presented by using the magnitude of negative sequence phasor of current with the use of the Taylor series. The proposed method is simulated on the IEEE standard network and its performance has been evaluated. This method has high-speed performance for a variety of symmetric and asymmetric faults. The PSCAD and MATLAB programs are used to simulate the proposed method. Comparing the results with other methods shows the efficiency of the method presented in this paper.
    Keywords: faults during power swing, series compensated line, negative sequence, Taylor series, power swing
  • Hadi Shahraki *, Akbar Zare Chavoshi Pages 77-90
    One of the most important parts of infrared search and tracking systems is image processing, which detects the targets in infrared images. In this paper, a new infrared small target detection algorithm is proposed. The proposed method uses heuristic optimization algorithms to find small targets in infrared images. In this way, the particle swarm optimization algorithm is used as one of the best heuristic optimization algorithms. The performance of the proposed algorithm is evaluated using real and simulated infrared images. These images include a variety of false response sources like high-intensity edges, cloudy background, complex sea-sky background, and a target close to high-intensity background clutter. The experimental results are compared with the four common methods of infrared small target detection. The experimental results show the effectiveness and performance of the proposed algorithm. Also, the runtime of the proposed method is comparable to other commonly used methods, and this makes it usable in real-time programs.
    Keywords: artificial intelligence, Infrared Search, Track System, Optimization algorithms, particle swarm optimization algorithm, Small target detection
  • Reihaneh Bahramipour Esfahani, Mehdi Nasri *, S. Mohammad Tabatabaei Pages 91-112

    O Optimization is a process that has long been considered by researchers in various fields and its methods have been utilized to increase productivity while reducing costs. Moreover, it is essential to achieve simultaneously several contradictory goals. In control engineering, optimizing controller parameters to attain several different goals could be considered as a significant challenge. In this paper, a fractional-order PID controller is designed for a training helicopter with two DC motors, called Twin-Rotor Multi Input Multi Output System (TRMS). The design of this controller is based on the optimization of different objective functions with metaheuristic multi-objective optimization algorithms. Finally, their Pareto front and different evaluation criteria such as Spacing Metric and Non- uniformity of Pareto Front are employed to compare the performance of these algorithms for optimization of controller parameters on the decoupled TRMS system. The results show the superiority of the proposed multi-objective fractional-order PID controller for the TRMS system.

    Keywords: Heuristic Optimization, Multi-Objective Optimization, TRMS System, Fractional Order PID Controller (FOPID)